Operációs rendszer szintje Operating System Machine (OSM)

Máté: Architektúrák 10. előadás 1

Operációs rendszer szintjeOperating System Machine (OSM)

Ezen a szinten programozóknak rendelkezésre állnak a felhasználói módban használható ISA szintű utasítások és az operációs rendszer által hozzáadott utasítások: rendszerhívások (system calls). Ezeket az operációs rendszer eljárásai valósítják meg (értelmezés).


Virtuális memóriaRégen nagyon kicsi volt a memória. Sokszor nem fért

el az egész program a memóriában.Overlay (átfedés): A program több része fut

ugyanazon a memória területen, mindig az aktuálisan futó rész van a memóriában, a többi rész mágneslemezen van. A programozó dolga a feladat átfedő részekre bontása, és a részek mozgatása a memória és a háttér tároló között.

Ma már sokkal nagyobb ugyan a memória, de még sokkal nagyobb lehet a címtartomány (address space).


Virtuális címtartomány: azok a címek, amelyekre a program hivatkozni tud.

Fizikai címtartomány: azok a címek, amelyek tényleges memória cellát címeznek.

A virtuális és fizikai címtartomány ugyanolyan méretű lapokra van osztva (6.3. ábra). A fizikai „lapokat” lapkeretnek (page frame) nevezzük.

Lap méret: 512 B – 64 KB (– 4 MB), mindig 2 hatványa.


A virtuális címtartomány sokkal nagyobb, mint a fizikai!

Mit kell tenni, ha olyan címre történik hivatkozás, amely nincs a memóriában?

Lap Virtuális címekN -… … - …4 16384 - 204793 12288 - 163832 8192 - 122871 4096 - 81910 0 - 4095

Lapkeret Fizikai címekn -… … - …4 16384 - 204793 12288 - 163832 8192 - 122871 4096 - 81910 0 - 4095


1. Egy lapkeret (pl. a 0-4095) tartalmának lemezre mentése.2. A kérdéses lap megkeresése a lemezen. 3. A kérdéses lap betöltése a lapkeretbe.4. A memória térkép megváltoztatása: pl. a 4096 és

8191 közötti címek leképezése a betöltött lapkeret címtartományába.

5. A végrehajtás folytatása.Virtuális

címtartomány

…819640960

Fizikai címtartomány

…81964096

0leképezés 6.2. ábra


A virtuális címek fizikai címekre történő leképezését az MMU (Memory Management Unit – memória kezelő egység végzi.

Memória térkép (memory map) vagy laptábla (page map) kapcsolja össze a virtuális címeket a fizikai címekkel. Pl. 4 KB-os lapméret 32 bites virtuális cím esetén 1 millió virtuális lap van, ezért 1 millió bejegyzésű laptáblára van szükség. 32 KB fizikai memória esetén csak 8 lapkeret van, ezért a leképezés megoldható 8 cellás asszociatív memóriával is (a gyakorlatban több ezer lapkeret van, és az asszociatív memória igen drága).


Asszociatív memória

kulcsmező

kulcsmező

kulcs

össze-hasonlító

szelektor

tartalom

össze-hasonlító

tartalom

szelektor


Jelenlét/hiány (present/absent)

…43 1 110210

0 0 … 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 020 bites virtuális

lapszám 12 bites offset

32 bites virtuális cím

1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0

15 bites fizikai cím

6.4. ábra

Laptábla


…15 0 014 1 413 0 012 0 011 1 510 0 0

9 0 08 1 37 0 06 1 75 1 64 0 03 1 22 0 01 1 00 1 1

fizikai memória

6.5. ábraLaptábla

…6. virtuális lap 75. virtuális lap 6

11. virtuális lap 514. virtuális lap 48. virtuális lap 33. virtuális lap 20. virtuális lap 11. virtuális lap 0

lap keret

virtuális lap lap keret


Laphiány (page fault): a lap nincs a memóriában.Kérésre lapozás (demand paging): lapozás csak

laphiány esetén. A program egyetlen bájtja sem kell bent legyen a memóriában, csak a másodlagos tárolón.

Időosztásos rendszereknél nem kielégítő!Munka halmaz (working set): a legutóbbi k memória

hivatkozásban szereplő lapok halmaza (az operációs rendszer feladata megállapítani). Időosztásos rendszerekben ezek a lapok előre visszatölthetők.

Ha a munkahalmaz nagyobb, mint a lapkeretek száma, akkor gyakori lesz a laphiány. A nagyon gyakori laphiányt vergődésnek (thrashing) nevezzük.


Lapkezelési eljárások: melyik lap helyett töltsük be a kért lapot?

LRU (Least Recently Used, legrégebben használt): általában jó, de nem jó pl. 9 lapon átnyúló ciklus esetén, ha csak 8 memória lap van (6.6. ábra).

7. Virtuális lap6. Virtuális lap5. Virtuális lap4. Virtuális lap3. Virtuális lap2. Virtuális lap1. Virtuális lap0. Virtuális lap




FIFO (First-in First-Out, először be, először ki): egyszerűbb (de most ez se jobb, mint LRU).

Csak a módosult (dirty, szennyezett) lapokat kell visszaírni, a tisztát (clean) nem (szennyezés bit). Most is előnyös, ha az utasítások és az adatok elkülönülten helyezkednek el a memóriában: az utasításokat nem kell visszaírni.


Lapméret és elaprózódásHa egy program k lapon fér el, akkor általában a k-dik

lap nincs tele. Ha a lap mérete n, akkor programonként átlagosan n/2 bájt kihasználatlan: belső elaprózódás (internal fragmentation).

A belső elaprózódás ellen a lap méretének csökkentésével lehet védekezni, de ez a laptábla méretének növekedéséhez vezet.

A kis lap előnytelen a lemez sávszélességének kihasználása szempontjából is, viszont kisebb a vergődés kialakulásának valószínűsége.


SzegmentálásEgy fordítóprogramnak a

következő célokra kellhet memória (6.7. ábra):

• szimbólum tábla,• forrás kód,• konstansok,• elemzési fa,• verem.Rögzített memória felosztás

esetén ezek egyike kicsinek bizonyulhat, miközben a többi nem használja ki a rendelkezésére álló tartományt.

Verem terület

Elemzési fa

Konstans táblaForrás szöveg

Szimbólum tábla

Virtuális címtartomány

Szabad

Jelenleg használt


Szegmentálás (6.8. ábra)

0. szegmens

1. szegmens

2. szegmens

3. szegmens

4. szegmens

20 K

16 K

12 K

8 K

4 K

0Konstans

tábla

Elemzési fa

Hívási verem

Szegmentált memóriában minden tábla a többitől függetlenül nőhet

vagy zsugorodhat.

Szim-bólum tábla

Forrás szöveg


Szegmens (6.9. ábra)A programozó számára látható logikai egység.

Minden szegmens címtartománya 0-tól valamilyen maximumig terjed. A szegmens tényleges mérete ennél kisebb lehet. A program számára a címtartomány két dimenziós: (szegmens, offset).

Általában egy szegmensben csak egyféle dolgok vannak: vagy kód vagy konstans vagy …Különböző tárvédelmi lehetőségek:

• kód: csak végrehajtható, nem írható, nem olvasható,• konstans: csak olvasható• …


A szegmentálás és a virtuális memória összehasonlítása (6.9. ábra)

Szempontok Lapozás Szegmentálás

Tudnia kell róla a programozónak? Nem IgenHány lineáris címtartomány létezik? 1 Több

Meghaladhatja-e a virtuális címtartomány nagysága a fizikai memória méretét?

Igen Igen

Könnyen kezelhetők a változó méretű táblák? Nem Igen

Mi ennek a technikának a lényege?Nagy

memória szimulálása

Több címtartomány

biztosítása


A szegmentálás megvalósításaLapozással: Minden szegmensnek saját laptáblája

van. A szegmens néhány lapja a memóriában van.

Cseréléssel: Teljes szegmensek mozognak a memória és a lemez között. Ha olyan szegmensre hivatkozunk, amely nincs a memóriában, akkor betöltődik. Külső elaprózódáshoz (external fragmentation) vezethet (6.10. ábra). Lyukacsosodásnak (checkerboarding) is nevezik.


Összepréselés: idő igényes, de időnként kell.Legjobb illesztés (best fit) és első illesztés (first fit)

algoritmus. Az utóbbi gyorsabb és jobb is az általános hatékonyság szempontjából.

1. 8 K

0. 4 K

2. 5 K

3. 8 K

4. 7 K

7. 5 K

0. 4 K

2. 5 K

3. 8 K

4. 7 K

3 K7. 5 K

0. 4 K

2. 5 K

3. 8 K

5. 4 K

3 K

3 K

7. 5 K

0. 4 K

2. 5 K

6. 4 K

5. 4 K

3 K

3 K

4 K

7. 5 K

0. 4 K

2. 5 K

6. 4 K5. 4 K

10 K

6 K


Pentium 4 (6.12-14. ábra)A szegmens regiszter tartalmazza a szelektort.

13 1 2Index

A szelektor (6.12. ábra) indexe választja ki a leírót (descriptor) a lokális (LDT, Local Descriptor Table) vagy globális leíró táblából (GDT, Global Descriptor Table). (6.13. ábra).

A 0. leíró használata csapdát eredményez (hiba).

0: GDT1: LDT Védelmi szint: 0-3

Szelektor:


Ha P=0, csapda: nem létező szegmens, vagybe kell tölteni a szegmenst.

BASE 0-15 LIMIT 0-15B 24-31 G D 0 L 16-19 P DPL TYPE B 16-23

0: LIMIT értéke bájtokban1: LIMIT értéke lapokban(lap ≥ 4 KB)

0: 16 bites szegmens r.1: 32 bites szegmens r.

Szegmens típusa, védelme Védelmi szint (0-3)0: a szegmens nincs a memóriában1: a szegmens a memóriában van

Pentium 4 kódszegmensének leírója (6.13. ábra)


6.14. ábra

Ha offset (a szegmens elejéhez viszonyított relatív cím) a szegmens határán túl van, csapda (hiba).

Lapozást tiltó flag (a globális vezérlőregiszter bitje):Ha engedélyezett: lineáris cím = virtuális cím Ha tiltott: lineáris cím = fizikai cím

32 bites lineáris cím

Szelektor

Bázis címLimit

Más mezők

Offset

Leíró

+


Lapkönyvtár (page directory 6.15. ábra)A 32 bites lineáris címek és a 4 KB-os lapok miatt egy

szegmenshez egymillió lap is tartozhat. Túl sok!Minden futó programhoz egy lapkönyvtár tartozik.Minden bejegyzés egy laptáblára mutat, vagy sehova.

Lineáris cím10 10 12DIR PAGE OFF

Lapkönyvtár1023

…210

32 bit

Laptábla1023

…210

32 bit

Lapkeret

32 bit


A lapkönyvtárnak azokhoz a mutatóihoz, amelyek nem mutatnak sehova, nem kell helyet foglalni a laptábla számára (pl. csak két db. ezer, és nem egy milliós bejegyzésű tábla kell egy 4 MB-nál rövidebb szegmenshez ).

A táblákban minden bejegyzéshez 32 bit áll rendelkezésre. A mutatókhoz nem használt biteket a hardver az operációs rendszer számára hasznos jelzésekkel tölti ki (védelem, szennyezettség, hozzáférés, …).

Speciális hardver támogatja a legutóbb használt lapok gyorsabb elérését.


A Pentium 4 védelmi rendszere (6.16. ábra)

A futó program pillanatnyi szintjét a PSW tartalmazza.

A program a saját szintjén lévő szegmenseket szabadon használhatja.

Magasabb szinten lévő adatokhoz hozzáfér, de az alacsonyabb szinten lévők kezelése csapdát okoz.

Más szinten lévő eljárás hívásánál CALL helyett szelektort kell alkalmazni, ez egy hívás kaput (call gate) jelöl ki (más védelmi szintre csak szabványos – tehát ellenőrzött – belépési ponton lehet áttérni).

0123

szint

A szintek egy lehetséges felhasználása:

Felhasználói programokOsztott könyvtárRendszer hívások

Kernel


Az UltraSPARC III virtuális memóriájaVirtuális cím 64 bites, egyelőre 44 bitre korlátozva.

0 264-1264-243243-1

Virtuális címtartománymegengedett zónák

44 bitre korlátozva ez a címtartomány folytonos.

Fizikai címtartomány maximum 41 bites.

A kód és adat lapokat külön kezeli.


Lapméret: 8, 64, 512 KB és 4 MB (6.17. ábra).

Lap mérete

Virtuális lap címe (bit)

OFFSET (bit)

Fizikai lap címe (bit)

OFFSET (bit)

8 KB 51 (31) 13 → 28 13

64 KB 48 (28) 16 → 25 16

512 KB 45 (25) 19 → 22 19

4 MB 42 (22) 22 → 19 22

44 bitre korlátozva maximum 41 bit


A memória kezelő egység (MMU) három szinten dolgozik:

• A legutóbb használt lapokat gyorsan megtalálja (hardver). A kód és az adat lapokat teljesen külön kezeli.

• A nem nagyon régen használtakat már lassabban (hardver segítséggel).

• A nagyon régen használtakat csak hosszas keresés után (szoftveres úton).


TLB (Translation Lookaside Buffer) a legutóbb használt 64 lap bejegyzését tartalmazza (6.18. ábra).

Környezet (context): processzus szám.Asszociatív memória: Kulcs a keresett virtuális lap és a

környezet. TLB hiány (TLB miss) esetén: csapda.

ÉrvényesVirtuális

lap KörnyezetFizikai lapkeret Flag-ek

Kulcs


TLB hiány esetén TSB folytatja a keresést (szoftver).TSB (Translation Storage Buffer): olyan felépítésű,

mint egy direkt leképezésű gyorsító tár (operációs rendszer építi fel, és kezeli a központi memóriában).

TSB találat esetén egy TLB sor helyébe beíródik a kért lapnak megfelelő bejegyzés.

Érvényes

Virtuális lap tag Környezet

Fizikai lapkeret Flag-ek

Virtuális lap címe tag line


TSB hiány esetén a fordítótábla (translation table) alapján keres. Ennek a táblának a szerkezetét az operációs rendszer határozza meg.

Egy lehetséges megoldás a tördeléses eljárás. Ebben az esetben a memóriába töltött virtuális lapok és a nekik megfelelő fizikai lapkeretek sorszáma listákba van helyezve. Ha a virtuális lap sorszáma p-vel osztva q-t ad maradékul, akkor csak a q-adik listát kell végignézni.

Ha ez se találja a keresett lapot, akkor nincs a memóriában.


Virtuális memória és gyorsító tár Két szintű hierarchia:Virtuális memória használatakor az egész programot

lemezen tartjuk, fix méretű lapokra osztjuk. Lap hiány esetén a lapot a központi memóriába töltjük (operációs rendszer).

Gyorsító tár esetén a központi memóriát gyorsító sorokra osztjuk. Gyorsító tár hiány esetén a gyorsító sort a gyorsító tárba töltjük (hardver).


Vezérlési folyamatSzekvenciális vezérlés: Az utasítások abban a

sorrendben kerülnek végrehajtásra, ahogy a memóriában elhelyezkednek.

Elágazás: 5.39. ábra.

idő

szekvenciális vezérlés

elágazás

prog

ram

szám

láló


Eljárás (5.44. ábra): Az eljáráshívás úgy tekinthető, mint egy magasabb szinten definiált utasítás végrehajtása: elég, ha azt tudjuk, mit csinál az eljárás, nem lényeges, hogy hogyan.

Rekurzív eljárás: önmagát közvetlenül vagy közvetve hívó eljárás.

hívó eljárás hívott

eljárásfőprogram

… …


Hanoi tornyai (5.40-42. ábra)

1. pálca 2. pálca 3. pálca

towers(5, 1, 3);


Hanoi tornyai (5.40-42. ábra) Rekurzív eljárás, amely n korongot mozgat i-ről j-re:public void towers (int n, int i, int j) { int k;

if(n==1) System.out.println(”Korong mozgatása:

”+i+”-ről”+j”-re”);else {

k=6-i-j; towers(n-1, i, k); towers(1, i, j); towers(n-1, k, j); }}


~ 5.43. ábra A verem tartalma az eljárásban: Hívások: j i n k | j i n k | j i n ktowers(3,1,3) 3, 1, 3, V, F, k c konvenció towers(2,1,2) 3, 1, 3, V, F, 2, 2, 1, 2, V, F, k

towers(1,1,3) 1 3 3, 1, 3, V, F, 2, 2, 1, 2, V, F, 3, 3, 1, 1, V, F, k visszatérés után 3, 1, 3, V, F, 2, 2, 1, 2, V, F, 3

towers(1,1,2) 1 2 3, 1, 3, V, F, 2, 2, 1, 2, V, F, 3, 2, 1, 1, V, F, k towers(1,3,2) 3 2 3, 1, 3, V, F, 2, 2, 1, 2, V, F, 3, 2, 3, 1, V, F, k towers(1,1,3) 1 3 3, 1, 3, V, F, 2, 3, 1, 1, V, F, k towers(2,2,3) 3, 1, 3, V, F, 2, 3, 2, 2, V, F, k towers(1,2,1) 2 1 3, 1, 3, V, F, 2, 3, 2, 2, V, F, 1, 1, 2, 1, V, F, k towers(1,2,3) 2 3 3, 1, 3, V, F, 2, 3, 2, 2, V, F, 1, 3, 2, 1, V, F, k towers(1,1,3) 1 3 3, 1, 3, V, F, 2, 3, 2, 2, V, F, 1, 3, 1, 1, V, F, k . . . V: visszatérési cím, F: régi FP


Rekurzív eljárások megvalósításához veremre van szükség. Minden hívás esetén az eljárás paramétereit a verembe kell tenni, és ott kell elhelyezni a lokális változókat is!

Eljárás prológus: a régi verem keret mutató (FP) elmentése, új verem keret mutató megadása, és a verem mutató (SP) növelése, hogy legyen hely a veremben a lokális változók számára.

Eljárás epilógus: visszatéréskor a verem kitakarítása.


A Hanoi tornyai probléma megoldása

5.47. ábra: Pentium 4 program.

5.48. ábra: UltraSPARC III program. Eltolás rés!


Vezérlési folyamat• Szekvenciális vezérlés

(5.39. ábra),• Elágazás, • Eljárás: 5.44. ábra, • Megszakítások, • Csapdák,• Korutinok: 5.45. ábra.

Párhuzamos feldolgozás szimulálására alkalmas egy CPU-s gépen.

A B

főprogram

… …

goto helyett jobb a ciklus vagy az eljárás alkalmazása!

korutinok


FeladatokMilyen utasítások érhetők el operációs rendszer

szinten?Mi az overlay technika lényege?Mi a virtuális címtartomány?Mi a fizikai címtartomány?Mi a lap és mi a lapkeret?Mi a lapozás?Mi a memória térkép (laptábla)?Mi az MMU?Hogy működik az asszociatív memória?Mi a laphiány?Mi a kérésre lapozás?Mi a munka halmaz (working set)?


FeladatokMikor alakul ki vergődés?Milyen lapkezelési eljárásokat ismer?Mi a belső elaprózódás?Mi az előnye, és mi a hátránya a kis lapméretnek?Mit nevezünk szegmentálásnak?Hogy valósítható meg a szegmentálás?Mik a szegmentálás előnyei? Mi a külső elaprózódás?Mi az összepréselés (compaction)?Hogy valósul meg a szegmens címzés a Pentium 4-en?Mi a szelektor?Milyen információt tartalmaz a Pentium 4 szelektora?Milyen mezőket tartalmaz a kódszegmensek leírója?


FeladatokMire szolgál az LDT (Local Descriptor Table) és a

GDT (Global Descriptor Table)? Hogy képződik a lineáris cím?Hogy valósul meg Pentium 4-en a virtuális címzés?Milyen a Pentium 4 védelmi rendszere?Hogy hívható más védelmi szintű eljárás?Jellemezze az UltraSparc III virtuális memóriáját!Mi a TLB (Translation Lookaside Buffer)?Milyen memóriában van a TLB?Mi történik TLB hiány esetén?Hogy szervezett a TSB (Translation Storage Buffer)?Mi történik TSB hiány esetén?Hasonlítsa össze a virtuális memóriát a gyorsító tárral!


FeladatokMi a szekvenciális vezérlés?Mi az eljárás?Mi a rekurzív eljárás?Mondjon példát rekurzív eljárással megoldható

problémára!Mi az eljárás prológus?Mi az eljárás epilógus?Mi az eltolás rés?Mi a csapda?Mi a megszakítás?Mi a különbség a csapda és a megszakítás között?Mit nevezünk korutinnak (társrutinnak, coroutine)?

Operációs rendszer szintje Operating System Machine (OSM)

Documents

Transcript of Operációs rendszer szintje Operating System Machine (OSM)